電子回路シミュレータ(LTspice)の講義資料

1Copyright(C) MARUTSU ELEC CO. LTD
電子回路シミュレータ LTspice
2015年8月26日
マルツエレック株式会社
電子回路シミュレータ(LTspice)は、コンピュータ上で回路動作の
シミュレーションが出来ます。製品の開発時間短縮(試作回数削減)の
ため、企業では、電子回路解析シミュレータを導入し、研究開発、製品
開発を行っております。
電子回路解析シミュレータで何が出来るのか？企業ではどのように活
用しているのか？どんな産業分野、事業分野で活用されているのか？
について製品開発のプロセスでの回路解析シミュレータの活用につい
ての事例を紹介し、最新のプロジェクトについて解説します。

1.LTspiceの特徴と背景
2.LTspiceの基本的な使い方
3.スパイスモデルと回路図シンボルの取り込み方
3.1LTspice用スパイスモデルとLTspice用回路図シンボルがある場合の取り込み方
3.2パラメータモデル(.model)の取り込み方と既存回路図シンボルの関連付けの方法
3.3サブサーキットモデル(.subckt)の取り込み方と新規回路図シンボルの作成方法
4便利なシミュレーションの解析機能
4.1パラメトリック解析で影響度合いを知る
4.2モンテカルロシミュレーションで部品のバラツキの影響を知る
4.3オシロスコープの測定データを入力信号として取り込む方法
4.4シミュレーションの出力波形を音声ファイルで出力する方法
4.5アイパターンの表示方法
4.6LTspiceモデルの暗号化の方法
5.最新事例
5.1教育事例(電源モジュール)
5.2デバイスモデリング事例(次世代半導体)
5.3トポロジーシミュレーション事例(降圧回路)
5.4システムシミュレーション事例(回生回路)
5.5詳細シミュレーション事例(リチウムイオン電池アプリケーション回路)
目次

2014年9月25日(木曜日)

Copyright(C) MARUTSU ELEC CO. LTD 5

回路設計のワークフロー
仕様
回路方式選択
(トポロジーの選定)
詳細回路設計
回路図作成
材料表作成
基板設計
回路設計
ビー・テクノロジー製品及びサービス
コンセプトキット製品
デザインキット製品
シンプルモデル
デバイスモデリング教材
スパイス・パーク
デバイスモデリング
サービス
カスタムデザインキット
サービス
回路シミュレーションのサービス

半導体メーカー及び電子部品メーカー(サプライヤ企業)
電子機器メーカー
自動車メーカー
社会インフラメーカー
(1)お客様への自社製品のSPICEモデルの提供
(2)自社製品のアプリケーション回路開発
(1)研究開発及び設計
(2)故障解析
キーワード：電源回路、インバータ回路、モーター駆動回路、LED照明回路及び電池回路
(1)研究開発及び設計
キーワード：ACモーター駆動回路、インバータ回路、LED照明回路HEV、EV、
二次電池、燃料電池及び回生回路
(1)全体システム回路設計
(2)故障解析
キーワード：太陽電池システム、スマートグリッドシステム、二次電池
対象の市場

【環境発電(エナジーハーベスト)分野】
発電デバイス+ハーベストIC+アプリケーション回路
【生体信号分野】
⇒人体のSPICEモデル＋電子回路シミュレーション
(1)心臓
(2)脳＋神経
(3)血液
【教育分野】
(1)実務向けオンサイトセミナー
⇒企業向け教育プログラムの提供及び実施
(2)教育用プログラム
⇒LTspiceで回路学習+キットで実機学習
光起電力(太陽電池)
振動発電(ピエゾ素子)
温度差発電(ペルチェ素子)
＋ハーベストIC ＋アプリケーション回路
対象の市場

回路解析シミュレータの用途は、多様化しています。
(1)研究開発
①次世代半導体のデバイスモデリング及びアプリケーション開発
②システム開発及び回路開発の回路動作現象
(2)回路設計
①アプリケーション開発
②トポロジーの開発及び選定
③回路設計及び回路動作検証
④損失計算
⑤ノイズ検証
⑥熱解析
(3)クレーム解析
①故障解析
②オープン・ショート
③想定外使用
④サージ解析
回路解析シミュレータの用途の多様化

製品開発における回路解析シミュレータの位置づけ
回路製品の完成までのプロセス
仕様決定
[回路設計]
概念設計(コンセプトデザイン)⇒回路方式の選定
(例：DC-DCコンバータの場合25回路方式から選定)
詳細設計(部品選定及び回路図決定)
⇒回路設計の分野で「回路解析シミュレータ」が採用されている
回路設計で仕様を満足できる電子部品の選定(500万品種)
★回路動作 ★損失計算 ★ノイズ評価 ★熱的評価 ★安全評価
[基板設計]
基板レイアウト設計
⇒PCBデザインの分野で「基板設計ツール」が採用されている
[試作]
仕様を満足しているかどうかを実機にて確認
[量産]
歩留まり、品質、原価計算

Time to Market (商品開発時間)
売上
利益
累積コスト・投資
Break Even Time
(損益分岐点到達時間)
Time to Market
(商品開発時間)
Break Even After Release
(販売開始後損益分岐点到達時間)
Time to Marketの短縮が売上、利益の増大と投資、コストの削減に直結する
開発開始販売開始
製品開発における回路解析シミュレータの位置づけ
試作回数を一回でも削減する

回路解析シミュレーション導入前の姿
回路図作成
基板に実装
回路動作の検証回路図変更

回路解析シミュレーション導入後の姿
回路解析シミュレーションを活用し、検証してから、実機を製作を行う。

民間企業における回路解析シミュレータの活用事例
【回路設計・開発分野】
試作前に回路動作を検証し、試作回数を削減したい。
省エネ設計(エコ設計)をしたいので、損失計算をしたい。
【トラブル対応及び原因不明クレーム対応】
誤動作や異常波形の原因を解明し、再発防止に役立てたい。
【代替品対応】
代替品によって今までの性能がでるかどうか早く判断したい。
代替品選定の時間を最小限にしたい。
【パワーエレクトロニクス分野】
大電流・大電圧を扱うため、回路実験を可能な限りなくしたい。
【研究開発分野】
アイディア段階の回路動作、デバイス動作を検証したい。
【半導体及び電子部品販売分野:サプライヤ企業】
(第1段階)自社の半導体及び電子部品のスパイスモデルを整備し、
お客様にご提供し販促の機会を増やしたい。
(第2段階)自社の半導体及び電子部品のアプリケーション回路のシミュレーション
データをお客様にご提供し、回路提案をしたい。
【大学・教育機関】
電子部品のスパイスモデルを活用したデバイス学習
回路方式の学習(測定機器が無くてもシミュレーションで学習できる)

電子回路シミュレータ導入の3要素
EDA ツール
シミュレーション
技術スパイスモデル
回路設計者
PSpice
LTspice(無料のSPICE)
MicroCap
Multi Sim
ICAP
Smart SPICE
HSPICE
・・・・・・・
シミュレーション技術は、
等価回路技術と回路図上に
見えない素子をいかに、盛り込むか？
民間企業の課題
必要な電子部品のスパイスモデルの入手及び整備
様々な電子部品のスパイスモデル
をいかに作成するか？
電子機器業界
社会インフラ
自動車業界
半導体業界
ヘルスケア
・・・・・・・・・・

回路解析シミュレーションを行う場合には、EDAツールが必要です。
その次に、自分が回路設計を行う際に採用したいスパイスモデルを準備
しなくてはなりません。スパイスモデルとは、電子部品の電気的振る舞いを
SPICE言語にて表現したプログラムです。
回路を構成する、材料表(BOM)ベースでの電子部品のスパイスモデル
を入手する必要があります。
回路解析シミュレーションの解析精度は、デバイスモデルの精度に起因
する為、デバイスモデルを先ず、整備する必要があります。
半導体部品の場合、モデルの解析精度:%Error 5%以内
受動部品の場合、モデルの解析精度:%Error 10%以内
電子回路シミュレータ導入の環境づくり

回路開発実験室と同じ環境をコンピュータ上に創る
頻繁に採用する電子部品(=認定部品、標準部品)のデバイスモデル
(SPICE MODEL)を最初から準備し、整備していく。
回路解析シミュレーションの業務の90％は、必要な電子部品のスパイスモデル
を作成している時間であり、実際に解析しているのは、10%程度の時間です。
スパイスモデル作成の事を「デバイスモデリング」という

スパイスモデルのデータだけではなく、そのスパイスモデルのバックグランド
のデータ(評価検証データ)が必要になります。
採用するスパイスモデルがどの程度の解析精度なのかを事前に知る必要
があります。
実際の電子部品の電気的特性とどのくらいの整合性・再現性をもっているか
を把握しなければりません。
スパイスモデル
バックグランドのデータ
【デバイスモデリングレポート】
＋
スパイスモデルは、SPICE記述
で書かれたネットリストであり、
機械可読のデータ
評価シミュレーションをする事で
人間が理解できる電気的特性図
にて参照する⇒人間可読

入手したモデルは
パラメータ・モデル
モデルの解析精度
はシミュレーションの
解析精度の起因する
為、モデルの検証が
必要になる。このモデル
の検証に時間を有する

SiC Schottky Diode Reverse Characteristic(逆特性)
Bee Technologies model
Cree’s model
SiC:シリコンカーバイド

スパイスモデルの種別について
大きく分類すると、2つに区分出来ます。
①パラメータ・モデル
⇒スパイスモデル記述をパラメータのみで、表現します。単体のダイオード、
ショットキ・バリア・ダイオードMOSFET、トランジスタ、Junction FET、
a-Si TFT、poly-Si TFTなどのデバイスがモデルパラメータで表現されています。
但し、上記デバイスの場合でも、特定の電気的特性を持たせる為に、パラメータ・モデルをメインとして、周辺に、
等価回路を組み込み、ビヘイビアモデルとして、表現する場合もあります。
②ビヘイビア・モデル=等価回路モデル=マクロモデル
⇒デバイスの電気的表現を、ビヘイビア素子などを活用し、等価回路で
電子部品を表現しているモデルです。上記以外(大部分)のスパイスモデル
は、ビヘイビア・モデルで表現されています。

【ダイオードモデルについて】
＝スタンダード・モデル
COMPONENTS:
DIODE/ GENERAL PURPOSE RECTIFIER
PART NUMBER: 1SR139-400
MANUFACTURER: ROHM
*$
* PART NUMBER: 1SR139-400
* MANUFACTURER: ROHM
* VRM=400,Io=1.0A=IFSM=40A
* All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2015
.MODEL 1SR139-400 D
+ IS=11.797E-12
+ N=1.3533
+ RS=52.928E-3
+ IKF=.20632
+ ISR=0
+ CJO=22.539E-12
+ M=.36819
+ VJ=.46505
+ BV=400
+ IBV=10.000E-6
+ TT=7.6751E-6
.ENDS
*$
*$
* PART NUMBER: 1SR139-400
* MANUFACTURER: ROHM
* VRM=400,Io=1.0A=IFSM=40A
.SUBCKT D1SR139-400 A K
R_R2 5 6 3500
R_R1 3 4 1
C_C1 5 6 100p
E_E1 5 K 3 4 1
S_S1 6 K 4 K _S1
RS_S1 4 K 1G
.MODEL _S1 VSWITCH Roff=50MEG Ron=1m Voff=90mV Von=100mV
G_G1 K A VALUE { V(3,4)-V(5,6) }
D_D1 2 K D1SR139-400
D_D2 4 K D1SR139-400
F_F1 K 3 VF_F1 1
VF_F1 A 2 0V
.MODEL D1SR139-400 D
+ IS=11.801E-12
+ N=1.3533
+ RS=52.928E-3
+ IKF=.20632
+ ISR=0
+ CJO=22.539E-12
+ M=.36819
+ VJ=.46505
+ BV=400
+ IBV=10.000E-6
+ TT=3.8551E-6
.ENDS
*$
ビヘイビア・モデル=等価回路モデル
＝プロフェッショナル・モデル

【ダイオードモデルについて】
Measurement Measurement
＝スタンダード・モデル
ビヘイビア・モデル=等価回路モデル
＝プロフェッショナル・モデル

(1)回路解析シミュレーションの解析精度=スパイスモデルの解析精度
1個でも変な動作をするスパイスモデルがあるとNG
(2)用途に応じたスパイスモデルを入手
(3)シミュレーションをする回路は正確に
回路解析シミュレータを効率よく活用する方法
(1)自分が良く使用する電子部品のスパイスモデルは準備しておく
<スパイスモデルの評価も必要不可欠>
【スパイスモデルの入手方法】
(a)電子部品メーカーから入手する
(b)スパイス・パーク(http://wwwspicepark.info)からダウンロードする
(c)自分でスパイスモデルを作成する
(2)頻度の高い回路方式はテンプレートとしてファイルで持っておく

(1)フル装備の回路解析シミュレータ
リニアテクノロジーから無償提供されているSPICEシミュレータ
素子制限がなく、実務で十分活用できる
【イノベーション】PSpice=LTspice
PSpice(1ライセンス150万円)は先進国の大企業の設計ツール
LTspiceはPCがあれば、世界中のユーザーの設計ツール
(2)ICのスパイスモデルが充実
スパイスモデルだけではなく、
アプリケーション回路のシミュレーションデータも充実
一般的にICのスパイスモデルの情報流通は限定的
(3)頻繁なアップデートによる製品の改善とスパイスモデルの充実
新しいデバイスのスパイスモデルが活用できる
新しい回路方式をシミュレーションで試せる
LTspiceの事例

回路シミュレーションのポイント
【ポイント1】
回路解析シミュレーションの解析精度=スパイスモデルの解析精度である。
■有償SPICEでも無償SPICEでも採用するSPICEモデルで解析精度が決定される。
■1個でも変な動作をするスパイスモデルがあるとNG
【ポイント2】
シミュレーションの用途に応じたSPICEモデルを採用する。
■波形動作確認であれば、簡易SPICEモデルでも問題ない。
■損失計算を行う場合、過渡現象において再現性のあるSPICEモデルを採用する。
■温度シミュレーションをしたい場合には、温度対応SPICEモデルを採用する。
■ノイズシミュレーションをしたい場合には、ノイズ対応SPICEモデルを採用する。
【ポイント3】
回路シミュレーションをする回路は正確に入力する。
■回路シミュレーションをする場合、回路知識が必要です。
■回路解析結果の正誤を判断する必要があります。

シミュレーション上の課題について
第一
の壁
第二
の壁
第三
の壁
第一の壁：SPICEの習得
第二の壁：SPICEモデルの入手
第三の壁：シミュレーション技術

シミュレーション解析時間
10％90％
実際のシミュレーション
解析時間
実際の解析時間は10％程度です。90％の時間をSPICEモデルの入手
に費やしています。
SPICEモデルの入手に費やしています。
●サプライヤ企業から入手する
●スパイス・パークからダウンロードする
●デバイスモデリングサービスを活用する
●自分でSPICEモデルを作成する

ダイオードのSPCIEモデルを作成する場合の事例
(ダイオードのSPICEモデルは3種類ある)
デバイスモデリング
の難易度
高い
低い
電流減少率モデル
⇒等価回路で-didtを再現している
IFIR法モデル
⇒等価回路でTrr(trj +trb)を再現している
パラメータモデル
⇒パラメータだけで作成できる簡易型モデル

①再現性問題
実機波形とシミュレーション波形が合わない
【解決方法】
○目的に合ったSPICEモデルを採用する
○目に見えない寄生素子も考慮し、回路図に反映させる
【ご提供するサービス】
○SPICEモデルをご提供する「デバイスモデリングサービス」
○シミュレーションデータをご提供する「デザインキットサービス」
②解析時間問題
早くシミュレーション結果を知りたいのにシミュレーションに多くの時間を有する
【解決方法】
○目的に合ったSPICEモデルを採用する
○タイムスケール機能を採用する
○SPICEモデルをご提供する「デバイスモデリングサービス」
○シミュレーションデータをご提供する「デザインキットサービス」
③収束エラー問題
最後までシミュレーションが実行出来ず、途中で計算が止まってしまう。
【解決方法】
○SPICEの.OPTIONSのパラメータを最適化する。
○スナバ回路等を挿入して急変する過渡応答性、過渡現象を緩和する。
○回路動作に影響しないように微小抵抗を適宜挿入する。
○収束エラー解決サービス

LTspiceの特徴
(1)フル装備の回路解析シミュレータ
リニアテクノロジーから無償提供されているSPICEシミュレータ
素子制限がなく、実務で十分活用できる
【イノベーション】
PSpice(1ライセンス150万円)は先進国の大企業の設計ツール
LTspiceはPCがあれば、世界中のユーザーの設計ツール
(2)ICのスパイスモデルが充実
スパイスモデルだけではなく、
アプリケーション回路のシミュレーションデータも充実
一般的にICのスパイスモデルの情報流通は限定的
(3)頻繁なアップデートによる製品の改善とスパイスモデルの充実
新しいデバイスのスパイスモデルが活用できる
新しい回路方式をシミュレーションで試せる

(4)浮遊ノードを内部処理している
PSpiceの場合 LTspiceの場合
LTspiceの特徴

(5)マルチスレッド対応
マルチコアCPUを自動認識し、最大限の能力を発揮し、並列計算が出来る。
【確認方法】
[Simulate]->[Control Pannel]->[SPICE]
LTspiceの特徴

(6)単位系について
Unit 読み方 Value
MEG メグ 10^6
k キロ 10^3
m ミリ 10^(-3)
u マイクロ 10^(-6)
n ナノ 10^(-9)
p ピコ 10^(-12)
LTspiceの特徴

文字化け対策の方法
u(マイクロ)が文字化けする場合、上記の設定が必要です。
【準備】
LTspiceの特徴

他のソフトウェアとLTspiceとの連携
基板設計ソフト：EAGLE
LTspiceの特徴

基板温度上昇解析ツール
https://secure442b.sakura.ne.jp/signalkhobho.com/index.html
LTspiceの特徴

設定して、「run」ボタンを押すと、サーキットファイルが生成されます。
LTspiceの特徴

745行のサーキットファイルが生成されます。
LTspiceの特徴

.option postはLTspiceでは定義できないので、コメント「*」を入力し、
このコマンドを無効にします。そして、サーキットファイルでLTspiceで
ひらきます。
LTspiceの特徴

LTspiceの特徴

LTspiceの初期画面
最初に「New」をクリックするとツールバーが有効になります。

LTspiceの回路図作成画面
ツールバー
(ここで、基本的な操作を行う)

LT3798は、アクティブ力率補正(PFC)機能を備え、かつ1段式のコンバータ
に出力電圧を帰還するのにフォトカプラが不要な定電圧、定電流の絶縁型
フライバックコントローラです。このICを使用したアプリケーション回路を
シミュレーションしてみましょう。
(1)Tool Bar
Edit ⇒ Component
(2)Input Parts Number
LT3798
(3) Click ⇒Open this
macromodel’s
test fixture
(2)
(3)

http://youtu.be/RELZj4NQzZA
LT3798のアプリケーション回路の画面
回路解析シミュレーションを実行する場合は「Run」をクリックする
シミュレーション終了
後、見たいところにマ
ウスを持っていく。

配線の上にマウスを持っていくと電圧プローブになります。
電圧プローブ
です

部品の上にマウスを持っていくと電流プローブになります。
電流プローブ
です

部品の上にマウスを持っていき、「Alt」キーをおしてクリックすると部品の
合計損失を自動で計算します。
マーカーです。

MOSFET(M1)の全損失波形
MOSFET(M1)のドレインID電流波形
MOSFET(M1)のドレイン・ソース間VDS電圧波形
電流負荷
出力電圧波形

3.スパイスモデルと回路図シンボルの取り込み方
このオペレーションを習得すると、外部からあらゆる種類のスパイスモデルを
Ltspiceに取り込み活用できます。
3.1 LTspice用スパイスモデルとLTspice用回路図シンボルがある場合の取り込み方
3.2 パラメータモデル(.model)の取り込み方と既存回路図シンボルの関連付けの方法
3.3 サブサーキットモデル(.subckt)の取り込み方と新規回路図シンボルの作成方法
3.1 LTspice用スパイスモデルとLTspice用回路図シンボルがある場合の取り込み方
スパイスモデルのファイルの拡張子(.sub、.lib、.txt、.inc 等)
CProgram FilesLTCLTspice IVlibsubフォルダ内に格納する
回路図シンボルのファイルの拡張子(.asy)
CProgram FilesLTCLTspice IVlibsymフォルダ内に格納する

3.2 パラメータモデル(.model)の取り込み方と既存回路図シンボル
の関連付けの方法
パラメータモデルの事例
新電元工業
S3L60 *$
* PART NUMBER: S3L60
* MANUFACTURER: SHINDENGEN
* VRRM=600,I0=1.8A
.MODEL DS3L60 D
+ IS=390.87E-6
+ N=4.9951
+ RS=37.378E-3
+ IKF=.99321
+ CJO=116.57E-12
+ M=.45565
+ VJ=.72461
+ ISR=0
+ BV=600
+ IBV=10.000E-6
+ TT=30.783E-9
*$

LT3845
中電力から高電力までの高効率電源に使用される高電圧、同期整流式、電流
モード・コントローラです。

D3
1N4148(NXP)
http://youtu.be/ToJzEbdVvAg

1N4148(NXP)をS3L60(新電元工業)に置き換える
準備： S3L60.libファイルを指定のフォルダに格納する
STEP1： S3L60.libファイルを取り込む
STEP2： D3の名称を変更する

http://youtu.be/sd0_MzcZQOc

3.3サブサーキットモデル(.subckt)の取り込み方と新規回路図
シンボルの作成方法
サブサーキットモデル(等価回路モデル)の事例
ローム
RSJ450N04
http://www.rohm.co.jp/products/discrete/transistor/mosfet/rsj450n04/

サブサーキットモデル(等価回路モデル)の事例
ローム
RSJ450N04 * RSJ450N04 NMOSFET model
* Model Generated by ROHM
* All Rights Reserved
* Commercial Use or
* Resale Restricted
* Date: 2011/08/08
******************D G S
.SUBCKT RSJ450N04 1 2 3
M1 11 22 3 3 MOS_N
D1 3 1 DDS
R1 1 11 RTH 7.14m
D2 22 11 DDG
R2 2 22 8.1
.MODEL MOS_N NMOS
+ LEVEL=3
+ L=2.0000E-6
+ W=1
+ KP=2.7979E-4
+ RS=1.5000E-3
+ RD=0
+ VTO=2.4053
+ RDS=40.000E6
+ TOX=2.0000E-6
+ CGSO=2.20n
+ CGDO=100p
+ CBD=0
+ RG=0
+ N=2
+ RB=1.0000E-3
+ GAMMA=1.1
+ ETA=0.0001
+ KAPPA=0
+ NFS=15G
.MODEL DDS D
+ IS=13.735E-12
+ N=1.0682
+ RS=2.3951E-3
+ IKF=9.1081
+ CJO=1.1068E-9
+ M=.47201
+ VJ=.76152
+ BV=40
+ TT=34n
.MODEL DDG D
+ CJO=807.33E-12
+ M=.69266
+ VJ=.75458
+ N=10000
+ FC=-1.7
.MODEL RTH RES
+ TC1=0.0055
+ TC2=0.000021
.ENDS RSJ450N04

LTC3867
LTC3867は、すべてNチャネルのパワーMOSFET段をドライブする、電流モード
同期整流式降圧スイッチング・レギュレータ・コントローラです。

http://youtu.be/7CWRZNH3Kf8

Q1及びQ2のRJK0301DPB(ルネサスエレクトロニクス)を RSJ450N04(ローム)に置き換える
準備： rsj450n04.libファイルを指定のフォルダに格納する
STEP1： rsj450n04.libファイルを取り込む
STEP2： M1及びM2の名称を変更する

STEP3： M1及びM2の属性の変更(「ctrl」＋マウスの右クリック)
Prefixを「x」に変更する

D(ドレイン)
PIN No.1
G(ゲート)
PIN No.2
S(ソース)
PIN No.3
.SUBCKT RSJ450N04 1 2 3
1 2 3
ドレインゲートソース

http://youtu.be/ACo1gZKKtnE

STEP1 新規シンボル作成画面を開く
[File]->[New Symbol]
STEP2 Draw機能で回路図シンボルを描く
詳細の手順書
http://ow.ly/d1WMK

STEP3 ピン属性の定義
[Edit]->[Add Pin/Port]
Labelにピン番号入力
1
2
3
http://youtu.be/s4u2YninG4w

STEP4 ピン属性の定義
[Edit]->[Attributes]->
[Edit Attributes]
Symbol Type:Cell
Prefixに「x」を入力
SpiceModelに
「RSJ450N04」を入力

STEP5 Attribute項目の表示
[Edit]->[Attributes]->[Attributes Window] InstNameの表示

STEP6 Attribute項目の表示
[Edit]->[Attributes]->[Attributes Window] SpiceModelの表示

STEP7 保存
STEP8 指定のフォルダに格納する
http://youtu.be/V0kfcoVrk-c

LTC3867に新規に作成した回路図シンボルを採用して、シミュレーションを行う

LTC3867に新規に作成した回路図シンボルを採用して、シミュレーションを行う
http://youtu.be/z6YVeqzlYHA

4便利なシミュレーションの解析機能

+
-
スピーカーのSPICEモデルにおける電気的インピーダンスの抵抗成分の
影響度合いについて

赤ライン内がスピーカーのSPICEモデルの等価回路図です。

緑色ライン内が電気的インピーダンスの等価回路図です。

R1=10[Ω]
R1=20[Ω]
R1=30[Ω]
http://youtu.be/PWXcGimyjNI

事例：SiC SBDの等価回路モデルの内部のモデルパラメータ
RSを対象にモンテカルロシミュレーションを行った。
解析対象：SiC SBDの順方向特性におけるRSのばらつき

モンテカルロ
シミュレーションの
設定は赤字
*$
* PART NUMBER: CSD20060D
* MANUFACTURER: Cree, Inc.
.SUBCKT CSD20060D PIN1 PIN2 PIN3 CASE
X_U1 PIN3 CASE CSD20060_pro
X_U2 PIN1 CASE CSD20060_pro
R_Rs PIN2 CASE 10u
.ENDS
.SUBCKT CSD20060_pro A K
V_V_I A N00040 0Vdc
V_V_Ifwd IN2 K 0Vdc
E_E1 VREV 0 VALUE { IF(V(A,K)>0, 0,V(A,K)) }
E_E3 I_REV0 0 VALUE { 5.8406e-32*pwr((-V(Vrev)),9.6887)}
・・・・・・・・・・・・・・・省略・・・・・・・・・・・・・・・
D_D4 VREV1 0 DCSD20060
R_R2 0 I_REV0 10MEG
R_R3 0 I_REV 10MEG
.MODEL DCSD20060 D
+ IS=121.37E-18 N=1
+ RS={mc(50.670E-3,tol)}
* + RS=50.670E-3
+ IKF=1.0000E3
+ CJO=421.51E-12 M=.46862 VJ=4.0208
+ BV=700 IBV=100.00E-6
+ ISR=0 EG=3.0 TT=0
.ENDS
*$

http://youtu.be/6kjrGY6DZhQ

背景：FPGA電源の出力ラインのノイズを削減する必要性がある。大電流低電圧であり、
許容される電圧変動が小さいため、ノイズ対策が必要である。ノイズ除去フィルター等
を活用する。
LTspice
ノイズ除去回路
入力信号
ノイズ波形
出力波形で
ノイズの低減
の効果を確認
実際のノイズ波形をオシロスコープで測定し、波形データをCSV形式で取得する

http://youtu.be/QTy4JOxtZRA

LTspice
回路
出力波形
.wavファイルを生成

LTspice
ドレミ回路
LTspice
ドレミ回路
F120A
4.4.1
4.4.2

LTspiceで回路図作成
V1はドの周波数
V2はレの周波数
V3はミの周波数
4.4.1
出力ビット数：16ビット
サンプリング・レート：44.1k

DC offsetを30[V]に設定
LTspiceでのサイン電源の設定
4.4.1

LTspiceでシミュレーション結果
4.4.1

音声ファイル(.wav)の再生
4.4.1

スピーカーを等価回路モデルにした場合
スピーカー=等価回路モデル
4.4.2
出力ビット数：16ビット
サンプリング・レート：44.1k

4.4.2
スピーカーを等価回路モデルにした場合
出力波形

Simulation Circuit

.OPTIONS “baudrate”
• Add .options “baudrate” for enable eye diagrams on the schematic.
Set “Baudrate” = {1/PER} / 1Bit in 1Baud

Simulation Settings
[*10] to run show number
of eye and adds [1.2ns]
are delay [s]

Plot Settings> Eye Diagram> Enable
Select “Enable”

Delay[s] and No. of eyes settings
Right click on plot to change

Simulation Circuit

Simulation Result
No. of eyes = 1
No. of eyes = 10
No. of eyes = 1
C Respond

事例
太陽電池のLTspiceモデル
メーカー：LG
型名：LG285S1C-G4
SPICEモデルのネットリストの内容を
公開したくない場合、LTspiceの機能
にて暗号化のファイルを生成できます。
*$
*PART NUMBER: LG285S1C-G4
*MANUFACTURER: LG Electronics
*REMARK: Pmax=285(W)
*All Rights Reserved Copyright
*(c) Bee Technologies Inc. 2015
.SUBCKT LG285S1C-G4 Plus Minus
R_RS1 N00A Plus 150.9234m
R_Rsh1 Minus N00A 150.222
D_D1 N00A Minus DIODE_LG285S1C-G4
I_I1 Minus N00A DC 9.38
.Model DIODE_LG285S1C-G4 D
+ IS=230.1967p
+ N=61.044
+ RS=50.7756m
+ IKF=0
.ENDS
*$

LTspiceモデルの暗号化は、コマンドラインにて行います。
コマンド構文入力
scad3.exe -encrypt <filename>
暗号ファイルの生成には3-4分かかります。

*$
*PART NUMBER: LG285S1C-G4
*MANUFACTURER: LG Electronics
*REMARK: Pmax=285(W)
*All Rights Reserved Copyright (c) Bee Technologies Inc. 2015
.SUBCKT LG285S1C-G4 Plus Minus
R_RS1 N00A Plus 150.9234m
・・・・・・・・・・・・
(省略)
・・・・・・・・・・・・
.ENDS
*$
LG285S1C-G4の等価回路
モデルのネットリスト
LG285S1C-G4の暗号化された
LTspiceモデル
注意：
暗号化されるファイルは上書きされるの
で、元ファイルを別保存する必要があり
ます。

出力特性評価回路図

出力特性シミュレーション結果

アナログシンセサイザー入門(電源モジュール編)
正負電源回路を作ろう
1.電子回路の基礎
1.1 オームの法則
1.2 キルヒホッフの第一法則
1.3 キルヒホッフの第二法則
2. 正負電源回路
2.1 正負電源の基礎
2.2 正負電源のブロック
2.2.1 保護回路
2.2.2 安定化電源回路
2.2.3 ACアダプタのスイッチングノイズ(LTspice学習)
2.2.4 三端子レギュレータの負荷応答性(LTspice学習)
2.3 インジケータ回路
2.4 供給回路
3. 正負電源回路製作(実習)
4.正負電源回路動作検証(実習)
111
アナログ回路学習
Copyright(C) MARUTSU ELEC CO. LTD

112
VCAVCFVCO
1
NOISE
Envelope
Generator
A D S R
Power
CV
Gate
ADSRNOISEPower
Control
VCO LFO MIXER VCF VCA
3
1
6
2
5
EXTERNAL
INPUT
MIXER
Control
8 4
OUTPUT
AMP
OPTION
1 2 3 4 5 6 7 8
8
1
72
6
4
5
5 7 2 3 6 48
NOISE2 LEVEL AMP
OPTION(1)
LFO 73
OPTION(2)のモジュール
・リングモジュレータ
・グラフィックイノライザ
・レゾネータ
・フェーズシフタ
・ゲートデレィ
・アナログシーケンサ
アナログシンセサイザー全体概要

113
アナログシンセサイザー全体概要
セミナーモジュール回路学習内容
第1回 Power 電源回路及びコントロール回路電子回路基礎(オームの法則、キルヒホッフの法則)、
正負電源回路、安定化回路、保護回路、ノイズ除去
第2回 NOISE ノイズジェネレータ回路ホワイトノイズ、ピンクノイズ、ノイズ発生回路、トランジス
タの基本動作、トランジスタ増幅回路
第3回 MIXER ミキサ回路オペアンプの基本動作、オペアンプの負帰還回路、
オペアンプの加算増幅回路、オペアンプの無帰還回路
オペアンプの反転増幅回路
第4回 VCA 電圧制御増幅回路トランスコンダクタンス、VCA回路、可変増幅回路、
差動増幅回路、電流電圧変換回路、OTA
第5回 VCO 電圧制御発振回路 PWM回路(パルス変調回路)、制御電流変換回路、
ノコギリ波発生回路、パルス波形発生回路、
三角波発生回路、コンデンサの基礎、アンチログ回路、
温度補償アンチログ回路
第6回 EG(ADSR) エンベロープジェネレータ回路 ADSR信号、デジタル処理、アナログ処理、
タイマーICの基礎
第7回 LFO 低周波発振回路充放電回路、積分回路、発振回路、シュミットトリガ回路、
遅延回路
第8回 VCF 電圧制御フィルタ回路 RCフィルタ回路、トランジスタラダー回路、
レゾナンス帰還回路、差動増幅回路

114
1次パネル試作(前面)
1次パネル試作(背面)1次回路試作
アナログシンセサイザー
電源モジュール
作例

115
電子回路の基礎
オームの法則
RIV 
R
V
I 
I
V
R  V:電圧[V]
I: 電流[A]
R：抵抗[Ω]
I

116
キルヒホッフの第一法則
回路の任意の一点において、流入する電流と流出する電流の和が等しい
I1
I2 I3
I1=I2+I3

117
キルヒホッフの第二法則
回路中に任意の閉回路において電圧の向きを時計回りにとった場合、
各区間の電圧の合計はゼロになる。
V1-I*R1=0
I

118
正負電源回路
アナログシンセサイザーの各モジュールに電力を供給するのが電源回路です。
正負電源回路
【定格】
出力電圧：±12[V]
出力電流：0.4-0.5[A]
アナログシンセサイザー
の各モジュールI
V

119
正負電源回路
電源モジュールの回路図

120
正負電源回路
正負電源の基礎

121
正負電源回路
正負電源のブロック
保護回路
供給回路
インジケータ回路
正負電源のブロック図
安定化回路

122
4つのダイオードでACアダプターへの逆流を防いで保護しています。
ヒューズ
ポリスイッチ
保護回路

123
安定化電源回路
IN OUT
GND
(1)INとOUTの電位差は、2-3[V]必要です。
(2)4つのダイオードは三端子レギュレータを保護する役割があります。
(3)7つのコンデンサは、三端子レギュレータを安定化させるためのコンデンサ
⇒バイパスコンデンサ

124
ACアダプタのスイッチングノイズ
何故、ACアダプターを使用するのにさら
に電源回路を使用する必要性があるの
ですか？
スイッチングACアダプタは、出力にノイズ
を含んでいます。電源電圧から
ノイズ成分を除去するのが
三端子レギュレータです。

125
0
Cin
0.33uF
Cout
0.1uF
IN OUT
VIN
19V
Io
0.5A
VIR R
FREQ = 120Hz
VAMPL = 2V
VOF F = 0
IN OUT
GND
U1
NJM7812FA
PSpice
Ripple Rejection (RR) Characteristics

126
Time
50ms 60ms 70ms 80ms 90ms 100ms
V(OUT)
12.010V
12.012V
12.014V
12.016V
SEL>>
V(IN)
16V
18V
20V
22V
Ripple Rejection (RR) Characteristics

127
三端子レギュレータの負荷応答性
*$
*PART NUMBER: NJM7812FA
*MANUFACTURER: NEW JAPAN RADIO
*ALL Rights Reserved Copyright (c) Bee Technologies Inc. 2014
.SUBCKT NJM7812FA IN GND OUT
X_U1 N00763 N00743 N00719 njm7812fa_sub
V_IN IN N00763 0Vdc
V_O N06434 OUT 0Vdc
R_RO N00719 N06434 1u
R_Radj1 N00719 N00743 {290}
R_Radj2 N00743 GND {2475.101}
.ENDS NJM7812FA
*$
.SUBCKT NJM7812FA_SUB IN ADJ OUT
JADJ IN ADJ ADJ JADJMOD
VREF 4 ADJ 1.250
DBK IN 13 DMOD
CBC 13 15 800.0E-12
RBC 15 5 1.000E3
QPASS 13 5 OUT QPASSMOD
RB1 7 6 1
RB2 6 5 257.6
DSC 6 11 DMOD
ESC 11 OUT VALUE={10.72-18.79E-3*V(6,5)*V(13,5)}
DFB 6 12 DMOD
EFB 12 OUT VALUE={13.17-.4466*V(13,5)+711.4E-6*V(13,5)*V(13,5)
+ -18.79E-3*V(13,5)*V(6,5)}
EB 7 OUT 8 OUT 11.71
RP 9 8 100
CPZ 10 OUT 1.592E-6
DPU 10 OUT DMOD
RZ 8 10 .1
EP 9 OUT 4 OUT 100
RI OUT 4 100MEG
.MODEL QPASSMOD NPN (IS=30F BF=50 VAF=53.22 NF=1.457)
.MODEL JADJMOD NJF (BETA=50.00E-6 VTO=-1)
.MODEL DMOD D (IS=30F N=1.457)
.ENDS NJM7812FA_SUB
*$
NJM7812FAのSPICEモデル NJM7812FAの回路図シンボル

128
Line Regulation Characteristics
LTspice

129
Line Regulation Characteristics
LTspice

130
Loard Regulation Characteristics
LTspice

131
Loard Regulation Characteristics
LTspice

132
V
VF
I
発光色によってVFの電圧値は異なります。

133
正負電源回路製作
電源モジュールの基板
表面裏面

134
電源モジュールの実装基板

135
電源モジュールの実装基板及び取り付け部品

136
【実装のポイント】
部品の高さが低いものから実装する。
電源モジュールの回路図
【実装の注意点】
(1)電解コンデンサの極性
(2)三端子レギュレータの向き
(3)ダイオードの向き
(4)発光ダイオードの極性

137
電解コンデンサの極性
マイナス端子

138
ダイオードの極性
アノード(A) カソード(K)
アノード(A) カソード(K)

139
正負電源回路動作検証
負電源側検証：-12[V]
PIN1:+
PIN2:-

140
正電源側検証：+12[V]
PIN2:-
PIN3:+
正負電源回路動作検証

次世代半導体のスパイスモデルを活用した
アプリケーション回路シミュレーション
【プログラム】
1.何故、回路解析シミュレータが必要なのか？
2.対応可能な次世代半導体のスパイスモデルについて
3.SiCショットキ・バリア・ダイオードのスパイスモデルについて
4.SiC MOSFETのスパイスモデルについて
5.常温における誘導負荷回路におけるスイッチング損失シミュレーション
6.高温における誘導負荷回路におけるスイッチング損失シミュレーション
7.質疑応答

①回路実験では観察しにくい電流波形が簡単に見える
②損失計算も1クリック
③ノイズ現象も見れる
①回路実験では観察しにくい電流波形が簡単に見える
回路実験で電流波形を観察するためには、電流プローブが必要である。
回路実験の対象基板が面実装で構成されており、電流プローブがほとんど、
つかめない。
大電流を観察する電流プローブは高価であり、保有するのが大変である。
小電流(uA)を観察したいが、電流プローブが対応していない。
電流波形を観察するのは大変なこと

コイルの電流波形も簡単に参照できるシミュレーション結果より、コイルに8[A]も
流れることが判明。コイルには、直流重畳
特性があり、8[A]でもインダクタンス値が
変わらないコイルを選定したい。

②損失計算も1クリック
ハイサイドのPower MOSFET(Q1)とローサイドのPower MOSFET(Q2)の
損失計算も部品上で「Altキー」を押しながら、クリックで損失波形を簡単表示

③ノイズ現象も見れる
ハイサイドのPower MOSFET(Q1)の
ドレイン電流の波形を観察すると、
ノイズ現象が見られる
回路解析シミュレーションの活用で、
設計品質を向上させる
安全設計を行う
回路動作を理論的に把握する
回路解析シミュレータは回路設計を効率良く
行うための「道具」です。関数電卓よりは賢い。

2.対応可能な次世代半導体のスパイスモデルについて
SiC:Silicon Carbide
GaN: Gallium Nitride

3.SiCショットキバリアダイオードのスパイスモデルについて
再現性のある電気的特性
順方向特性
容量特性
逆方向特性

スパイス・パークにて
スパイスモデルの
ダウンロード販売
ご購入前にスパイスモデル
の評価検証レポート
(デバイスモデリングレポート)
が参照できます。
http://www.spicepark.info
SiC SBDのスパイスモデル
の販売
Cree
インフィニオン
STMicroelectronics

MOSFET LEVEL
LEVEL=1 Shichman-Hodges Model
LEVEL=2 形状に基づいた解析モデル
LEVEL=3 半経験則短チャネルモデル
LEVEL=4 BSIM Model
LEVEL=6 BSIM3 MODEL
・・・・・・・
・・
MOSFET LEVEL=3 半経験則短チャネルモデルの特徴
(1)2次元的な電位分布によるデバイスの長さ及び幅に対してスレッシュホルド電圧
が敏感に影響を受ける。
(2)ドレインが誘起するBarrier loweringによるドレイン電圧に対してのスレッシュホルド電圧
の考慮。
(3)リニア領域と飽和領域との間での緩やかな変化及びホットエレクトロンの速度
飽和によって若干減少する飽和電圧、飽和電流の考慮。
RB
BulkGate
Cbs
Cgb
RG
Cgd
ROS
Cgs
RD
RS
Cbd
Drain
Source
Idrain

Time*1ms
0 8n 16n 24n 32n 40n
V(W1:2) V(W201:2)
0V
2V
4V
6V
8V
10V
12V
14V
16V
18V
20V
MOSFET LEVEL=3 MODEL
Bee Technologies MODEL(Professional)
ゲートチャージ特性
ミラー容量が固定値のため、ミラー容量を可変にする

←
図1
dv/dt
Co
Io
0
Fig.1
Fig.1の回路図でコンデンサCoにdV/dtなる
立ち上がりを持つ電圧を印加すると流れる
電流は、(1)式になります。
dt
dV
CoIo  ・・・・・・・・・・(1)
ここで基準容量Crefを外部電圧VINで制御出来る電圧制御可変容量は、
(2)式になります。
CrefVINVINC )( ・・・・・・・・・・(2)
Cref:固定値

I1
1
ABM/I
VIN
2
0
図2
Cref
3
I2
1E6*V(2,3)*(V(1,0)-1)
←
R1
←
dv/dt
C(VIN)
Io
←
R2
Fig.2
(2)式を満足させる等価回路図(Fig.2)は下記になります。
21 IIIo 
21 IIIo  ・・・・・・・・・・(3)
R2をI2に影響しない微少抵抗(1E-6)とし、IoをC(VIN)に流れる電流と考慮
すると(4)式で表現出来ます。
)3,2(61
2
)3,2(
2 VE
R
V
dt
dV
CrefI  ・・・・・・・・・・(4)

(2),(3),(4)式から
dt
dV
Cref
dt
dV
VINCIIoI  )(21
 1)0,1()3,2(61  VVE ・・・・・・・・・・(5)
dt
dV
Cref
dt
dV
CrefVIN 
)3,2(61)1()1( VEVIN
dt
dV
CrefVIN 
R1はABM/Iなるアナログビヘイビアモデルを使用し、(5)式を満足すれば
 
dt
dV
CrefVVEIIIo  1)0,1()3,2(6121
・・・・・・・・・・(6)R1は高抵抗(1E6)とする

C(VIN)は(2)式のように外部電圧VINによって制御出来ます。
C(VIN)>Cref の時、(5)式に従いI1は増加します
C(VIN)=Cref の時、I1=0
C(VIN)<Cref の時、 (5)式に従いI1はマイナスになります
N13732
N13807
N13744
ABM/I
図3
Run to time: 1us
Cref
1u
VIN
10v
0
V2
TD = 0
TF = 1us
PW = 5us
PER = 10us
V1 = 0
TR = 1us
V2 = 100v
Maximum step size: 10ns
V1 0Vdc
R3
1MEG
V(N13732,N13744)*(V(N13807,0)-1)*1E6
R4
1u
Fig.3

-Vdg +Vdg
Co*(1+Vdg/Vj)^(-M)
図4
0
Co
電圧制御可変容量の等価回路を応用し、ミラー容量に適応させます。
MOSFETのVdg-Cdg特性はFig.4のような特性を示します。
Fig.4

(7)式はVdgが0以下ではCoが一定となります。EVALUEにより、
(7)式によるC(Vdg)を、
M
Vj
Vdg
CoVdgC







 1)( ・・・・・・・・・・(7)
M
Vj
Vdg
CoVdgE







 1)( ・・・・・・・・・・(8)
と考え、制御電圧発生回路の出力と考えます。この電圧により、容量可変回
路を制御すればABM/Iの電流はVdgにより、(8)式に従って変化するのでミラー
容量を補正する事が可能になります。

Vdgが0からVdssの区間ではFig.4に示される式にVdg-C(Vdg)特性は依存
し、Vdgがマイナスの区間では容量はCoで一定になります。
G
制御電圧
発生回路
S
Vdgﾘﾐｯﾀ
図5
EVALUEETABLE
→ →
ABM/I
容量可変回路
Q1
D
Fig.5
Fig.5のように制御システムを考慮
すると、Vdgを検出するとETABLE
により、Vdgに0～Vdssのリミッタを
かけます

1.必要な電子部品のSPICEモデル(常温モデル)を揃える。
2.常温モデルを活用して、LTspiceで過渡解析を行い、損失計算を行う。
3.常温におけるシリコンデバイスとSiCデバイスのケースで損失比較を行う。
4.必要な電子部品のSPICEモデル(高温モデル)を揃える。
5.高温モデルを活用して、LTspiceで過渡解析を行い、損失計算を行う。
6.シリコンデバイスとSiCデバイスのケースで比較する。
目的：シリコンデバイスをSiCデバイスに置き換える事で、損失がどのくらい
削減出来るのか?高温の場合はどうなのか?
手段：回路解析シミュレータ(LTspice:フリーの回路解析シミュレータ)を活用
し、損失を簡単に早く求める。
対象回路：誘導負荷回路
シリコンデバイス構成
Si MOSFET:TK10A60D
FRD:DF10L60
SiCデバイス構成
SiC MOSFET:SCU210AX
SiC SBD:SCS110AG

Inductive load
ID
SiC SBD
SiC MOSFET
Si MOSFET
Inductive load
Si Diode
(Super Fast Recovery)
ID
Si MOSFET:TK10A60D
FRD:DF10L60
SiC MOSFET:SCU210AX
SiC SBD:SCS110AG

ID
VDS
VGS
Test Circuit Measurement Waveform
Si MOSFET
Inductive load
Si Diode
ID
Si MOSFET:TK10A60D
FRD:DF10L60

Si MOSFET:TK10A60D
FRD:DF10L60
Si MOSFET Model,
with Body Diode Standard Model
ID
Simulation Circuit
Si Diode
Inductive load
Simulation Waveform

VDS
Test Circuit Measurement Waveform
SiC SBD
SiC MOSFET
Inductive load
ID
ID
VGS
SiC MOSFET:SCU210AX
SiC SBD:SCS110AG

SiC MOSFET:SCU210AX
SiC SBD:SCS110AG
Inductive load
ID
Simulation Circuit
Simulation Waveform
SiC SBD
SiC MOSFET
VGS

SiC MOSFET:SCU210AX
SiC SBD:SCU210AX
Simulation Waveform
Inductive load
ID
Simulation Circuit
SiC SBD
SiC MOSFET
ID
VDS
Ploss

ピーク・ターン
オン損失(W)
オン時の
飽和損失(W)
オフ損失(W)
Si Devices 175.23 36.90 285.57
SiC Devices 177.60 15.17 282.75
損失削減の効果
(Addition)
(1.4%) 58.9% 1.0%
SiC MOSFETの低オン抵抗が貢献している。

SiC SBD
Ta=25℃ Ta=125℃
Si Diode

Si MOSFET:TK10A60D
FRD:DF10L60
Simulation Circuit
Inductive load
ID
Si Diode(Super Fast Recovery)
Ta=125C
Si MOSFET Model,
with Body Diode Standard Model
Ta=125C
Simulation Waveform

SiC MOSFET:SCU210AX
SiC SBD:SCU210AX
Simulation Circuit
Inductive load
ID
SiC SBD
(Ta=125C)
SiC MOSFET (Ta=125C)
Simulation Waveform

オン損失(W)
オン時の
飽和損失(W)
オフ損失(W)
Si Devices 175.23 36.90 285.57
SiC Devices 177.60 15.17 282.75
損失削減の効果
(Addition)
(1.4%) 58.9% 1.0%
オン損失(W)
オン時の
飽和損失(W)
オフ損失(W)
Si Devices 208.25 86.58 273.88
SiC Devices 169.77 19.14 273.68
損失削減の効果 18.5% 77.9% 0.1%
常温
高温
SiC MOSFETの低オン抵抗が貢献している。
SiC SBDの逆回復特性が貢献している。

171
出展：TDK

172
降圧回路
降圧回路のタイミングチャート
①VCTRL
①
②
②IL
③
③VL
④
⑤
⑥IF
⑤VDS
⑥
④ID
⑦
⑦VKA

173
降圧回路シミュレーションの回路図
http://youtu.be/NOS2cJSH2is

174
降圧回路シミュレーション結果起動状態の観察
シミュレーション結果の観察のポイントは、3つあります。
突入状態の観察
定常状態の観察

175
降圧回路シミュレーション結果(M1)

176
降圧回路シミュレーション結果(D1)

177
降圧回路シミュレーション結果(M1)

178
降圧回路シミュレーション結果(D1)

Index
• Block Diagram
• How to use concept kit
• About Motor Generator Model
• About Control Signal
• About Buck Converter
• About Li-Ion Battery
• Simulation Result

Block Diagram
MG 3-phase rectifier Buck Li-Ion Battery
ChargeIGBT:300A/600V Step-down voltage
Maximum Voltage=4.2[V]
Capacity(CAh)=50[Ah]
Amount of Batteries(N)=85Cells
Vin=480[Vrms]
Vout=630[V]5
Vin=630[V] 5
Vout=200-360[V]
Frequency=50[Hz]
VMAX=400[V]

GND
GND
GND
Charge Current Limit
GND
GND_SW
Riso
100MEG
0
DMOD
D7
GND
Vrectif ier
VD
Cout
880uF
WD
U
SPWM
CTL1
CTL2
CTL3
Vref 1
Vref 2
Vref 3
VP
WP
A
-
+
+
-
E7
E
-1
0
DMOD
D1
DMOD
D3
D8
DCT300DJH060
DMOD
D5
-
+
+
-
E8
E
-1
0
DMOD
D2
UP
DMOD
D4
UD
R2
15k
VP WP
U1
CT300DJH060
-
+
+
-
E1
E
3
-
+
+
-
E3
E
3
-
+
+
-
E5
E
3
DMOD
D6
00 0
UP
U2
CT300DJH060
U3
CT300DJH060
R3
15k
R4
15k
VDUD WD
-
+
+
-
E2
E
3
-
+
+
-
E4
E
3
-
+
+
-
E6
E
3
00 0
U4
CT300DJH060
-
+
+
-
E9
E
-1
0
U5
CT300DJH060
U6
CT300DJH060
R5
15k
R6
15k
R7
15k
0
C
V1
FREQ = 50
VAMPL = {Vrms*sqrt(2)}
VOFF = 0
PHASE = 0
V2
FREQ = 50
VOFF = 0
PHASE = -120
V3
FREQ = 50
VOFF = 0
PHASE = -240
B
PARAMETERS:
Vrms = 280
GND_SW
VG2
TD = 0
TF = 100n
PW = {Duty _buck*(1/Freq_buck)}
PER = {1/Freq_buck}
V1 = 0
TR = 100n
V2 = 0
D_disch
D9
R9
15k
V101
{(4.2*N)-(8.2m)}U8
CT300DJH060
-
+
+
-
E11
E
1
IBATT
0Vdc
PARAMETERS:
N = 85
CAh = 50
rate = 1
HI
G2
R10
1u
PARAMETERS:
Voch = {(4.2*N)-(8.2m)}
Capacity = 1
VG1
TD = 0
TF = 100n
PER = {1/Freq_buck}
V1 = 0
TR = 100n
V2 = 15
+ -
U9
LI-ION_BATTERY
SOC = 0
NS = {N}
TSCALE = {3600*4}
C = {CAh}
C2
10n
L1
225uH
1 2
C1
315uF
VBATT
PARAMETERS:
Freq_buck = 10k
Duty _buck = 0.44
rl1
10m
n1
rc1
0.05m
G1
R8
15k
U7
CT300DJH060
-
+
+
-
E10
E
1
Simulation Circuit and Setting
- Generator, 3 phase rectifier, Buck converter and Li-Ion Battery
3-phase rectifier
Motor
Generator
Buck converter
Li-Ion Battery
Vrms=280V Freq_buck=10k
Duty_buck=0.44
N=85
CAh=50
SOC : 0%
http://www.ae.pwr.wroc.pl/filez/20110606092430_HEV_Toyota.pdf

About Motor Generator Model
Phase angle between V1 and V2, V2 and V3, V3 and V1 are equaled 120 degree ()
0
V1
FREQ = 50
VOFF = 0
PHASE = 0
V2
FREQ = 50
VOFF = 0
PHASE = -120
V3
FREQ = 50
VOFF = 0
PHASE = -240
PARAMETERS:
Vrms = 280

About Control Signal (1/3)
VD
WD
U
SPWM
CTL1
CTL2
CTL3
Vref 1
Vref 2
Vref 3
VP
WP
-
+
+
-
E7
E
-1
0
-
+
+
-
E8
E
-1
0
UP
UD
-
+
+
-
E9
E
-1
0
Double click
Output voltage (3-phase motor generator) feed to Vref1, Vref2 and Vref3
Control Signal of
Switching IGBT
To Connected to Motor
Generator

V4TD = 0
TF = {(0.5/Freq)}
PW = 1n
PER = {1/Freq}
V1 = {Vsawh}
TR = {(0.5/Freq)}
V2 = {Vsawl}
0
PARAMETERS:
Freq = 500
m1 = {Vsawh-Vsawl}
m2 = {Vsawl-Vsawh}
PARAMETERS:
Vsawh = 3
Vsawl = -3
IN+
IN-
OUT+
OUT-
E1
IF(V(%IN+)>V(%IN-),1,-1)
EVALUE
0
IN+
IN-
OUT+
OUT-
E2
IF(V(%IN+)>V(%IN-),1,-1)
EVALUE
0
IN+
IN-
OUT+
OUT-
E3
IF(V(%IN+)>V(%IN-),1,-1)
EVALUE
0
saw
CTL3
CTL2
CTL1
-
+
+
-
E4
E
0.01
00
Vref 1
-
+
+
-
E5
E
0.01
0 0
Vref 2
-
+
+
-
E6
E
0.01
0 0
Vref 3
SPWM
Reference voltage compared with sawtooth signal
Sawtooth Signal

Vref1
Vref2
Vref3
CTL1
CTL2
CTL3

About Buck Converter (1/2)
GND
GND_SW
Riso
100MEG
0
D8
DCT300DJH060
DMOD
D7
Vrectif ier
Cout
880uF
GND_SW
VG2
TD = 0
TF = 100n
PER = {1/Freq_buck}
V1 = 0
TR = 100n
V2 = 0
R9
15k
U8
CT300DJH060
-
+
+
-
E11
E
1
G2
VG1
TD = 0
TF = 100n
PER = {1/Freq_buck}
V1 = 0
TR = 100n
V2 = 15
L1
225uH
1 2
C1
315uF
VBATT
PARAMETERS:
Freq_buck = 10k
Duty _buck = 0.44
rl1
10m
n1
rc1
0.05m
G1
R8
15k
U7
CT300DJH060
-
+
+
-
E10
E
1
No Use
Voltage and Current are controlled
by adjust “Duty_buck” parameter of
Upper IGBT (U7)

About Buck Converter (2/2)
UPPER IGBT:VDS
UPPER IGBT:VGS
LOWER IGBT:VGS

About Li-Ion Battery
GND
GNDGND
D_disch
D9
V101
{(4.2*N)-8.2m}
IBATT
0Vdc
PARAMETERS:
N = 85
CAh = 50
rate = 1
PARAMETERS:
Voch = {(4.2*N)-8.2m}
Capacity = 1
HI
+ -
U9
LI-ION_BATTERY
SOC = 0
NS = {N}
TSCALE = {3600*4}
C = {CAh}
C2
10n
“N” is Amount
of Battery Cell
“TSCALE={3600*4}” is meant
1second (simulation setting-runtime)
equal 4 hours
“CAh” is Capacity of Battery
(ampere-hour capacity)

Simulation Result (parametric sweep)
Duty_buck=0.44 Duty_buck=0.34 Duty_buck=0.24
Battery Voltage
Battery Charging Current
Buck: Output Voltage
Buck: Gate Drive Voltage
3-phase rectifier: Output Voltage
3-phase Generator: Output Voltage
6 Hours
Simulation time for 1 condition is about 15 minute

LTC4077での単体セルの充電

LTC4000での複数セルの充電(セルのバランシング)
Case1: Battery Charger Circuit with Li-ion model (NS*=4)
 Simulation Circuit and Setting
Battery’s Timescale=360K, Simulation time: 10ms=1hour.
NS* is the number of cells.
Lithium Ion Battery
• 3.7V – Nominal Voltage
• 2200mAh – Nominal Capacity
• 4-Cells
*Analysis directives:
• .tran 0 36.9ms 6.9m 1u startup
• solver = Alternate
• .options RELTOL=0.01
• .options VNTOL=1m
• .options ABSTOL=1u
• .options CHGTOL=100n
• .options GMIN=1E-9
• .options ITL1=500
Integration Method: Gear

Case1: Battery Charger Circuit with Li-ion model (NS*=4)
 Simulation Result • Total elapsed time: 2667.251 sec. ≈ 45min.
Charging Voltage
Charging Current
SOC: U3
(10ms/hour)

196
Case2: Battery Charger Circuit with Li-ion model (NS=14, Various Initial SOC)
 Simulation Circuit and Setting
Lithium Ion Battery
• 3.7V – Nominal
Voltage
• 2200mAh –
Nominal Capacity
• 14-Cells
Battery’s Timescale=360K, Simulation time: 10ms=1hour.
NS* is the number of cells.
*Analysis directives:
• .tran 0 41ms 11ms 1u startup
• solver = Alternate
• .options RELTOL=0.01
• .options VNTOL=1m
• .options ABSTOL=1u
• .options CHGTOL=1n
• .options GMIN=1E-8
Integration Method: Gear

Case2: Battery Charger Circuit with Li-ion model (NS=14, Various Initial SOC)
 Simulation Result
• Total elapsed time: 4447.5 sec. ≈ 74min.
(10ms/hour)
Charging Voltage
Charging Current
SOC: U3
SOC: U4, U5, and U6

質疑・応答

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